變頻器結合PLC與人機界面在中央空調上的應用

摘要：本文介紹了采用臺達變頻器結合PLC與人機界面在中央空調水泵風機上應用過程，對中央空調水泵風機的變頻改造方案、變頻改造節能效果和變頻監控系統作了詳細的描述，并給出了中央空調水泵風機的變頻改造原理圖、變頻監控系統硬件結構圖、人機界面畫面圖、系統控制方法和程序流程圖。

一、前言

　　我公司是一家主要生產乙肝疫苗的制藥公司,由凈化中央空調設備提供生產車間的潔凈環境,使生產車間各個房間的溫度、濕度和壓差等均能達到國家GMP規定的要求。因為季節的變化，晝夜的變化，這樣生產車間的各個房間對風量具有很明顯的需求變化，而水泵風機的風量、水流量的調節是靠風門、節流閥的手動調節。當風量、水流量的需求減少時，風門、閥的開度減少；當風量、水流量的需求增加時，風門、閥的開度增大。這種調節方式雖然簡單易行，已成習慣，但它是以增加管網損耗，耗費大量能源在風門、閥上作為代價的。而且該中央空調在正常工作時，大多數風門及閥的開度都在50%-60%，這說明現有中央空調水泵風機設計的容量要比實際需要高出很多，嚴重存在“大馬拉小車”的現象，造成電能的大量浪費。近年來隨著電力、電子技術、計算機技術的迅速發展，變頻調速技術越來越成熟，因此我們對公司的中央空調水泵風機加裝19臺變頻器進行了節能改造。又由于水泵風機分散性較大，為了減少值班人員的巡視工作強度，便于及時掌握水泵風機的工作狀態和發現故障，我們通過PLC及人機界面與變頻器的通訊應用，在中央監控室增裝變頻監控系統，這樣值班人員就可在人機界面上直接設定頻率值與啟停各臺變頻器，能實時監控水泵風機電機實際工作電流、電壓、頻率的大小，并具有報警等功能。

　　二、中央空調水泵風機變頻改造方案

　　1、改造前設備情況

　　（1）、基因部空調設備情況

　?、僦评渲鳈C為日立機組，共三臺。②冷凍泵：11KW，2極 全壓啟動4臺，揚程30m，出水溫度6℃,回水溫度為10℃，出水壓力為0.35Mpa，每臺電機額定電流為21.8A，正常工作電流為16.6A。一般情況下,開二臺備二臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 4臺，揚程30m，出水溫度32.5℃,回水溫度為28.2℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為18.0A。一般情況下,開二臺備二臺。

　?。?）、老二樓空調機房空調設備情況

　?、僦评渲鳈C為日立機組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動3臺，揚程30m，出水溫度6.1℃,回水溫度為9.8℃，出水壓力為0.36Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為21A。一般情況下,開一臺備二臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 3臺，揚程30m，出水溫度31.8℃,回水溫度為27.7℃，出水壓力為0.41Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為20.6A。一般情況下,開一臺備二臺。

　　（3）、分包裝空調機房空調設備情況

　?、僦评渲鳈C為日立機組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動3臺，揚程30m，出水溫度5.8℃,回水溫度為9.3℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為20.2A。一般情況下,開二臺備一臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 3臺，揚程30m，出水溫度31.6℃,回水溫度為27.3℃，出水壓力為0.40Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為21.2A。一般情況下,開二臺備一臺。

　?。?）、公司共有13臺空調風柜。①基因部空調風柜7臺，其中22KW風機電機3臺，11KW風機電機2臺，15KW和18.5KW風機電機各1臺。②老二樓空調風柜3臺，其中15KW風機電機2臺，11KW風機電機1臺。③質檢部空調風柜3臺，其中11KW風機電機2臺，7.5KW風機電機1臺。

　　2、水泵變頻改造方案

　　因為冷凍泵和冷卻泵進出水溫差都小于5℃，這說明冷凍水流量和冷卻水流量還有余量，再加之，電機正常工作電流小于額定電流(5-12A)，明顯存在“大馬拉小車”的現象。因此，我們對基因部的冷凍水系統和冷卻水系統各自使用一臺臺達VFD-P11KW變頻器和一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅動（如圖一所示）。根據需要由PLC1分別控制3臺冷凍水泵和3臺冷卻水泵輪流切換工作（但同一時刻一臺變頻器只能驅動一臺水泵電機運轉），使冷凍水量和冷卻水量得到靈活、方便、適時、適量的自動控制，以滿足生產工藝的需求。同樣對老二樓空調機房及分包裝空調機房的冷凍水系統和冷卻水系統也各使用一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅動，其控制方式與基因部的冷凍水系統和冷卻水系統控制方式相同。下面以基因部冷凍水系統加以說明：

　　（1）、閉環控制

　　基因部冷凍水系統采用全閉環自動溫差控制。采用一臺11KW變頻器實施一拖三。具體方法是：先將中央空調水泵系統所有的風閥門完全打開，在保證冷凍機組冷凍水量和壓力所需前提下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最低工作頻率（調試時確定為35HZ），將其設定為下限頻率并鎖定。用兩支溫度傳感器采集冷凍水主管道上的出水溫度和回水溫度，傳送兩者的溫差信號至溫差控制器，通過PID2調節將溫差量變為模擬量反饋給變頻器，當溫差小于等于設定值5℃時，冷凍水流量可適當減少，這時變頻器VVVF2降頻運行，電機轉速減慢；當溫差大于設定值5℃時，這時變頻器VVVF2升頻運行，電機轉速加快，水流量增加。冷凍泵的工作臺數和增減由PLC1控制。這樣就能夠根據系統實時需要，提供合適的流量，不會造成電能的浪費。

　?。?）、開環控制

　　將控制屏上的轉換開關撥至開環位置，順時針旋動電位器來改變冷凍水泵電機的轉速快慢。

　?。?）、工頻/變頻切換工作

　　在系統自動工作狀態下，當變頻器發生故障時，由PLC1控制另一臺備用水泵電機投入工頻運行，同時發出聲光報警，提醒值班人員及時發現和處理故障。也可將控制柜面板上的手動/自動轉換開關撥至手動位置，按下相應的起動按鈕來啟動相應的水泵電機。

圖一 中央空調水泵變頻改造原理圖

　　3、風機變頻改造方案

　　因為所有風柜的風機均處于全開、正常負荷運行狀態，恒溫調節時，是由冷風出風閥來調節風量。如果生產車間房間內的溫度偏高，則風閥開大，加大冷風量，使生產車間房間內的溫度降低。如果生產車間房間內的溫度偏低，則需關閉一部分風閥開度，減少冷風量，來維持生產車間房間的冷熱平衡。因此，送入生產車間內部的風量是可調節的、變化的。特別是到了夜班時，人員很少，且很少出入、走動等活動，系統負荷很輕，對空調冷量的要求也大大降低，只需少量的冷風量就能維持生產車間房間的正壓與冷量的需求了，故對13臺風機全部進行了變頻節能改造，利用變頻器來對風量進行調節。

　　中央空調風機變頻改造原理圖如圖二所示，在原有工頻控制的基礎上，增加7個變頻控制柜，采用13臺臺達VFD-P系列變頻器驅動13臺風機電機，變頻/工頻可以相互切換。在工頻方式下運行時，不改變原來的操作方式，在變頻方式下運行時，變頻器在不同的時間段自動輸出不同的頻率。即13臺變頻器受時控開關的程序控制，在周一至周五的7：30-23：00設定變頻器在45HZ下運行，在周一至周五的23：00后至第二天的7：30及周六、周日設定變頻器在35HZ下運行（其運行的頻率可根據需要來設定），以改變風機的轉速，同時13臺變頻器與中央監控室的人機界面和PLC實行聯機通訊，可以實現遠程人機監控。

圖二 中央空調風機變頻改造原理圖

　　三、中央空調水泵風機變頻節能改造效果

　　為了能直觀體現變頻改造后的節能效果，我們做了如下的測試：以1#日立機組冷卻水泵14#（15KW）和K4風柜4#（22KW）為對象，在它們各自的主回路上加裝電度表，先工頻運行一星期，每天定時記錄電表讀數，再變頻運行一星期，進行同樣的工作，其數據如表1和表2所示。

　　表1：1#日立機組冷卻水泵節能數據統計

　　1、表1的數據分析：在工頻運行時，水泵的負荷變化不是很大，其日用電量在298度左右。變頻運行時，由于受外界的環境溫度影響較大，故每天的用電量差別較大，但可以看出，變頻運行時的日用電量明顯要小于工頻時的數值。我們以一個星期的總用電量來計算，工頻時為2580-891=1689，變頻時為5248-4121=1127，則1#日立機組冷卻水泵的節電率為：（1689-1127）/1689=33%

　　2、表2的數據分析：由于風機每天的負荷變化不大，故其用電量比較穩定。可以看出，工頻運行時日用電量在350度左右。變頻運行時，日用電量在220度左右。以350和220來計算，則K4風柜電機的節電率為：（350-220）/350 = 37%

　　由上述計算可知：水泵和風機變頻改造后平均節能率為35%，在實際使用中，節電效果會更好。

　　表2：K4風柜節能數據統計

　　四、中央空調水泵風機變頻監控系統

　　1、 系統硬件組成

　　中央空調水泵風機變頻監控系統的硬件結構圖如圖三所示，它由公司自來水恒壓泵、分包裝部二樓冷凍泵、質檢部老二樓空調機房水泵風機和基因部水泵風機四個子系統組成，對分布在不同部門的19臺變頻器實施遠程監控。各部分說明如下：①、變頻器選用臺達VFD-P系列變頻器，該系列變頻器具有高可靠性，低噪聲，高節能，保護功能完善，內建功能強大的RS-485串行通訊接口，且RS-485串行通訊協議對用戶公開等特點。②、PLC作為控制單元，是整個系統的控制核心，選用臺達DVP24ES01R。利用其通訊指令編好程序，下載到PLC，然后將它與變頻器的RS-485串行通訊接口相連接，就可實現與變頻器的實時通訊。③、人機界面采用Hitech公司的PWS-3760，彩色10.4寸。它是新一代高科技可編程終端，專為PLC而設計的互動式工作站，具備與各品牌PLC連線監控能力，適于在惡劣的工業環境中應用，可代替普通或工控計算機。其主要特點有：畫面容量大，可達255個畫面，畫面規劃簡單；使用ADP3全中文操作軟件，適用于WINDOWS95/WINDOWS98環境，巨集指令豐富，編程簡單；具有交互性好，抗干擾能力強，通訊可靠性高；自動化程度高，操作簡單方便，故障率低，壽命長，維修量少。其主要功能有：設計者可依需要編輯出各種畫面，實時顯示設備狀態或系統的操作指示信息；人機界面上的觸摸按鍵可產生相應的開關信號，或輸入數值、字符給PLC進行數據交換，從而產生相應的動作控制設備的運行；可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示文字、數字、圖形、字符串、警報信息、動作流程、統計資料、歷史記錄、趨勢圖、簡易報表等。④、RS-485串行通訊方式：RS-485采用平衡發送接收方式，它具有傳輸距離長、抗干擾能力強和多站能力的優點。

圖三 變頻監控系統硬件結構圖

　　2、人機界面畫面設計

　　本系統人機界面所有畫面均由ADP3全中文軟件進行設計，有主畫面、參數設定、運轉設定、參數顯示、狀態信息、報警信息和幫助等畫面，經ADP3軟件編譯無誤后，從個人電腦中下載到人機界面即可使用。人機界面與PLC之間通過RS232通訊電纜以主從方式進行連接。由PLC對人機界面的狀態控制區和通知區進行讀寫達到兩者之間的信息交互。PLC讀人機界面狀態通知區中的數據，得到當前畫面號，而通過寫人機界面狀態控制區的數據，強制切換畫面。參數顯示畫面之一如圖四所示。

圖四 基因部中央空調風機水泵1#監控畫面

　　用戶需要監視19臺水泵風機的電壓、電流以及頻率的大小。因此為它們分別設置三組數值顯示區，分別顯示電壓、電流與頻率值，這是利用元件中的數值顯示功能實現的。系統啟動后，19臺變頻器周期性地向PLC回復其工作狀態，經PLC處理后送人機界面，這樣人機界面就可以實時顯示這三組數值。數值的格式、位數和精度等根據實際情況在數值顯示的屬性框中設置。

　　3、系統控制方法

　　本系統要求對分布在不同部門、距離較遠的19臺變頻器實施遠程監控，能在中央監控室的人機界面上自動/手動設定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器，可實時監測到中央空調水泵風機電機實際工作電壓、電流、頻率的大小，并具有聲光報警等功能。具體控制方法是：采用一臺DVP-PLC、一臺人機界面PWS-3760和19臺VFD-P系列變頻器通過RS-485串行通訊方式組成一個實時通信網絡（如圖三所示）,在現場設定好19臺變頻器的通信參數，如控制方式為RS-485通訊指令，通訊地址：1-19，波特率為9600，通訊資料格式等；設計系統PLC程序，程序流程圖如圖五所示。要求手動控制有即時設定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器等功能，自動控制采用二個時段控制，可以隨時設定二個時段值和對應的二個頻率值，現使用時段值一：7：30對應頻率一 45HZ，時段值二：23：00對應頻率二 35HZ。程序設計參照VFD-P變頻器通訊協議，采用PLC與變頻器間的一些RS-485通訊指令實現系統的遠程監控，還可通過打印機實現報表的打印。